Analysis of surface layer characteristics for sequential cutting operations Translated title: Analyse der Randschichteigenschaften bei der sequentiellen Zerspanung

Abstract

For manufacturing processes like milling, broaching and skiving tools with multiple cutting edges are used. The geometry and the characteristics of the machined components are the result of sequential cuts. A finite element model is built up including the sequential cutting by transferring component states between work piece models. The model is validated by comparing residual stresses between numerical and experimental results. Small element sizes allow for a detailed resolution of quantities describing the component state. Characteristics of the specific depth profiles are used for the analysis of residual stresses. The influence of process parameters and the number of simulated sequential cuts are examined. Sequential cuts show an influence on surface residual stresses. Residual stresses decrease for low cutting velocities and slightly increase for high cutting velocities. Tensile stresses also reach to deeper areas of the surface layer with increasing number of cuts. Compressive stresses pass through a significant maximum before decreasing to a constant value. A steady stress state is identified after ten sequential cuts.

Kurzfassung

Bei Fertigungsprozessen wie Fräsen, Räumen und Wälzschälen kommen vielschneidige Werkzeuge zum Einsatz. Die erzeugte Geometrie und die Eigenschaften des bearbeiteten Bauteils sind daher das Ergebnis sequentieller Zerspanungsvorgänge. In einem eigens aufgebauten Finite-Elemente-Modell wird die sequentielle Zerspanung durch das Übertragen von Bauteilzuständen zwischen modellierten Werkstücken berücksichtigt. Zur Validierung des Modells werden Eigenspannungen aus Experiment und Simulation verglichen. Kleine Elementgrößen ermöglichen eine sehr detaillierte Beschreibung des Bauteilzustandes. Zur Analyse der Eigenspannungen werden charakteristische Eigenschaften der spezifischen Tiefenprofile verwendet. Der Einfluss der Prozessparameter und die Anzahl der simulierten sequentiellen Zerspanungsvorgänge werden untersucht. Die sequentielle Zerspanung zeigt einen Einfluss auf die Oberflächeneigenspannungen. Die Eigenspannungen nehmen für kleine Schnittgeschwindigkeiten ab und steigen für hohe Schnittgeschwindigkeiten leicht an. Zugeigenspannungen reichen mit zunehmender Anzahl an Zerspanungsvorgängen tiefer in die Randschicht. Die Druckeigenspannungen durchlaufen ein signifikantes Maximum. Nach zehn sequentiellen Zerspanungen kann ein stationärer Eigenspannungszustand identifiziert werden.